混凝土抗压强度与孔隙率关系的研究.pdf
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1、2 0 1 5 年 第 1 0期 I总 第 3 1 2期) Nu mb e r 1 0 i n 2 0 1 5 ( T o t a l N o 3 1 2) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THEoRE TI CAL RES EARCH d o i : 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 5 1 0 0 1 4 混凝土抗压 强度 与孔隙率关系 的研 究 贾金青,胡玉龙 , 王东来,张磊, 叶浩 ( 大连 理工 大学 建设工程学部 土木工程学院 , 辽 宁 大连 1 1 6 0 2 3 ) 摘要 : 为研究孔隙率对混凝土抗压强度
2、的影响, 分别对 C 3 0和 C 4 0级混凝土在 1 0 2 5 骨料体积 ( 百分数 ) 增加率下进行试 验 。 结果表明 : 水胶比一定 , 抗压强度随骨料体积增加而增大 , C 3 0和 C 4 0级混凝土抗压强度 ( 2 8 d ) 最大分别提升 2 O 4 7 和 1 9 9 2 ; 骨料体积增加率一定, 抗压强度随水胶比减小而增大。 从混凝土孔隙率 的角度定量分析 了水胶 比与骨料体积对抗压强 度的影响, 并采用回归系数方法得到了普遍适用的混凝土抗压强度与孑 L 隙率关系式。 关键词 : 混凝土; 孔隙率 ; 水胶比; 骨料体积 ; 抗压强度 中图分类号 : T U 5 2 8
3、 0 1 文献标志码 : A 文章编号: 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 5 ) 1 0 0 0 5 6 0 4 E ffe c t s o f p o r o s i t y o n t h e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f c o n c r e t e J I A J i n q i ng,HU Yu l o n g,WANG Do n g l , ZHANG Le i,YE Ha o ( S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e ri n g F a c u t t y o f i
4、 n f r a s t r u c t u r e E n g i n e e ri n g, Da l i a n Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y, Da l i a n 1 1 6 0 2 3, Ch i n a ) Abs t r a ct : To s t u d y t h e e f f e c t s o f p o r o s i t y o n t h e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f c o n c r e t e, t h r o u g h t e s t i n
5、 g o n the C3 0 a nd C4 0 c o n c r e wi th t h e v o l u me i n c r e a s i n g r a tio r a n g i n g f r o m l O t o 2 5 As the r e s u l t s s h o w tha t , f o r a c e r t a i n wa t e r b i n d e r r a ti o, t h e c o mpr e s s i ve s tre n g t h i n c r e a s e d wi t h t h e i n c r e a s e o
6、 f a g g r e g a t e v o l u me, the b i g g e s t i n c r e a s e ( 2 8 d ) r e a c h e d 2 0 4 7 f o r C 3 0 a n d 1 9 9 2 for C 4 0 ; for a c e r t a i n a g g r e g a t e v o l u me i n c r e a s i n g r a ti o, t h e c o mp r e s s i v e s t r e n g th i n c r e a s e d wi th the d e c r e a s
7、e o f wa t e r b i n d e r r a tio The qu a n tit a t i v e a n a l y s i s wa s b a s e d o n p o r o s i ty , a n d the r e l a ti v e l y a c c u r a t e e q u a ti o n f o r s tr e n g th c a l c u l i o n wa s g o t a ft e r r e g r e s s i o n T h e q u a n ti t a ti v e a n a l y s i s c a n
8、b e a pp l i e d t o o r d i n a r y c o n c r e K e y wo r d s: c o n c r e ; p o r o s i ty ; wa r b i n d e r r a t i o ; a g gre g a t e v o l u me; c o mp r e s s i v e s t r e n g t h 0 引 言 抗压强度是混凝土 的重要性质 , 通常用来反 映混凝土 的质量全貌。 D u f f A b r a ms 的水胶 比定律 =K K w 在 常用 的水胶 比范 围内, 是对复杂情况 的一种相对 准确 的简
9、化。 但是其未考虑骨料 质量 , 骨料体 积 ( 百分数 ) , 密实 度等诸多因素, 在很多偏离通常的情况不适用 , 如计算式 不能体现强度与骨料体积( 百分数) 的关系; 无法考虑混凝 土振捣不密实下 强度下 降程度 等情况 , 具有 较大 的局 限 性。 石膏 , 铁 , 皓土等许 多脆性 晶体材 料 的强度取 决于其 晶粒直径和孔 隙率的大小 , 晶粒直径越小 , 孔 隙率越低 , 强 度越高 。 K n u d s e n F P 提出 了具有代 表性 的多孔 脆性 晶 体材料计算式 : S=k G e 一 ( 1 ) 式中 : 材料强度 ; G晶粒直径 ; P 孔隙率 ; k ,
10、a , b 系数 , 且 a , b互不影响。 与此类似 , 混凝 土的强度随 晶粒 直径 的变 小 , 孔 隙率 的降低而提高。 但是混凝 土作 为一种不均匀混合物 , 其 晶 收稿 日期 : 2 0 1 4 1 2 0 3 56 粒直径是一种 推广概 念 , 取决 于组 成混凝 土 的水泥 , 砂 , 石 , 外加剂等的类型及质量 。 其他条件不变下 , 选用质量较 好 的骨料或者更 高强度等级 的水泥均 能带来 混凝土强度 的提高 , 其本质上就是减小 了混凝 土 晶粒 直径 。 混凝 土的孔隙包含凝胶孔 , 毛细孔 , 夹带空气及引气孔 ( 由引气 剂带来) , 孔隙率 的大小 主要取
11、决 于组 成混凝土 的配合 比, 同时受养护条件 , 龄期等的影 响。 水胶比, 骨料体积( 百分数) 以及骨料质量等因素均是 通过改变 晶粒直径或者孔隙率带来抗压强度的变化。 鉴于 此 , 本研究对水胶 比和骨料体积两个 主要 因素进行试验 , 并提出一种普遍适用的混凝土抗压强度与孔隙率关系式 。 1 试验材料与制备方法 1 1 试验材料 水泥为 P O 3 2 5 R级 , 密度为3 1 g c m ; 粗骨料为粒 径 5 1 0 mm的石灰石碎石 , 表观密度为 2 6 5 0 k g m ; 细骨 料为天然河砂 , 表观 密度 为2 6 0 0 k g m ; 粉煤灰为 I 级粉 煤灰
12、 , 密度为 2 6 g c m ; 减 水 剂为 聚羧 酸盐 系高 效减水 剂 。 1 2制备方法 为制备骨料体积 ( 百分数 ) 不 同的混凝土 , 在表 1 基准 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 混凝土配合 比的基础 上 , 1 m 混凝 土 中依次 增加 0 1 0 , 0 1 5 , 0 2 0 , 0 2 5 1 T I 体积的粗骨料 , 骨料体积增加率依次为 1 0 , 1 5 , 2 0 , 2 5 。 因为粗 骨料 体积 不易 测量 , 简化 起 见 , 实际试验 中依 次增加 2 5 0 , 3 7 5 , 5 0 0 , 6 2 5 k g
13、的粗骨料 , 如表 2 所示 。 试验 中, 采用尺寸为 的标准立方体试块 , 试块 在标准养护条 件下养 护 , 7 d及 2 8 d抗压 强度 试验按 照 G B T 5 0 0 8 1 -2 0 1 1 普通混凝土力学性能试验方法标准 进行。 表 1 基准混凝土配合比 m 表 2骨料体积增加率及用量 2试 验 结 果 C 3 0和 C 4 0级混凝土在不 同骨料体 积( 百分 数) 增加 率下的 7 、 2 8 d抗压强度实测结果如表 3及图 1 所示 。 表 3混 凝土 7 、 2 8 d抗 压 强度 骨料 增加率 ( a ) 7 d 抗压 强度 骨料增 加翠 ( b ) 2 8 d
14、抗压 强度 图 1 水胶比及骨料增加率对 7 、 2 8 d抗压强度的影响 表 3及图 1 表明 : ( 1 ) 水胶 比一定 , 骨料体积增加率小 于 2 0 时, 混凝土 的7 、 2 8 d抗压强度随骨料体积的增大而增加; 超过2 0 后 , 7 、 2 8 d 抗压强度强度略有下 降, 但仍高于基准混凝土 ; ( 2 ) 骨料体积增加率一定 , 混凝土的 7 、 2 8 d抗压强度 随水胶比的减小而增加; 且 C 4 0级混凝土抗压强度整体较 C 3 0高( C 4 0 0较 C 3 0 2 5高) ; ( 3 ) 对 2 8 d抗 压 强 度 , C 3 0级 混 凝 土最 大 提
15、高 了 6 5 1 MP a , 提升幅度达 2 0 4 7 ; C 4 0级混凝 土最大提高 了 7 9 8 MP a , 提升幅度达 1 9 9 2 。 3 强度分析 3 1 强度 与孔 隙率的关 系 试验 中, C 3 0和 C 4 0级混凝土使用 的材料 的类型是相 同的 , 因此混凝 土晶粒直径是相 同的, 则混凝土强 度提高 的原因是水胶 比减小和骨料体积增加造成孔 隙率减小。 由 此 , 本研究下面 集 中讨论 孔隙率 变化对 混凝 土强度 的影 响 。 部分研究者将形如式( 1 ) 的脆性 晶体材料 的强度孔隙 率计算式推广到水泥砂浆和混凝土上, 总结了一些半经验 计算式 ,
16、具有代表性的有 : ( 1 ) B a l s h i n 口 提 出用于多孔性金属 一陶瓷材料的建议 计算式 : - - L。 ( 1一 P) ( 2) ( 2 ) R y s h k e v i t c h 提出用于多孔烧结氧化铝和氧化锆 的建议计算式 : = 。e - k p ( 3 ) ( 3 ) H a s s e l ma n n 9 提出用于凝 固石膏的建议计算式 : , c - L 。 ( 1 一 k p ) ( 4 ) 式 中: 。 孔 隙率为零 时的强度 , 取决于混凝土 晶粒直 径的大小 ; P 孔隙率 ; 混凝土孔隙率为 P时的强度 ; 系数 。 3 2 孔隙率的计算
17、3 2 1 有效水胶 比 计算孔 隙率 , 首先应确定 准确的配合 比。 骨料 内部的 孔 隙使其具有吸水性 “ 。 试验中所用骨料为烘干状态 , 未达到饱和面干状态 的骨料吸收水泥浆体中的水分 , 导致 游离 的有效水 ( 混凝土 的总体积稳定下来后 , 接 近初凝时 , 存在于骨料颗粒之外 的空间的水 , 称之为有效水 ) 减少 , 降 低了有效水胶 比, 导致实际水胶 比与表 1 有 出入 。 下面 的分析 中将骨料的饱 和面干状态作为骨料的基本状态 , 用 有效水胶比来代替水胶比, 确定准确的配合比 。 试验 所用骨 料 的实测 饱和 面干含水率 如下 : 砂 子为 2 ; 石子为 0
18、 5 。 则有效水胶 比为 : 5 7 4 3 3 2 2 、 骥 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m m mb=( mwm 2 一 m 0 5 一m。 0 5 ) ( m +mf ) ( 5) 式中 : m 。 有效水 ; m 胶凝材料 ; m 水 ; m 砂子 ; m 石子 ; m 增加石子 ; m 。 水泥 ; m 粉煤灰的质量 。 下面 以 C 3 0 1 0为例 , 计算其有效水胶 比, 其余结果 见表 4: C3 01 0: m。 mb=( 2 2 97 1 62 一1 0 7 4 X0 5 一 2 5 0 X 0 5 ) ( 3 5 2+8 8 )=
19、2 0 8 0 6 4 4 0= 0 4 7 3 。 表 4有效水胶比 从表 4可 以看出 : 增加的石子 吸水使得混凝土的有效 水胶比降低, 但是骨料孔隙率很小, 吸水有限, 使得水胶比 降低集 中在于分位上 , 对混凝土孔隙率影 响有限。 3 2 2 孔 隙率 在计算孔 隙率时作 出下面 4条假定 : ( 1 ) 因为采 用机械振 捣 , 混凝土均 达到充分密 实 ( 充 分密实是指硬化混凝土含有 1 体积分数 的气孔 ) 。 ( 2 ) 因为有效水灰 ( 单指水泥 ) 比 0 3 8 ( 水泥有足够 空间完全水化 ) , 以及在标准养护条件下养护 , 近似认为 水泥完全水化 。 ( 3
20、) 因为粉煤灰对 早期 强度提高作用微弱 , 水化后孔 隙率无法计算且 掺量相 同, 故将粉煤灰视做 惰性材料 , 忽 略其对强度的影响。 ( 4 ) 减水剂用量很小 , 且 C 3 0和 C 4 0相差 不大 , 故忽 略不计 。 参考 A M 内维尔 的原理 , 列 出本研究 的孑 L 隙率计 算 过程如下 : ( 1 ) 利用拌合物 的质量及密度求得其体积 V= m p 。 依 据假定 1 , 水泥 , ( 有效) 水 , ( 饱和面干 ) 砂子 , ( 饱和 面干 ) 石子 , ( 饱和 面干 ) 增 加石 子 , 粉 煤灰 的体 积分 数之 和为 9 9 , 求得每项的体积分数。 w
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- 混凝土 抗压强度 孔隙率 关系 研究
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